Prvý polrok
Otázky
Cievka v obvode striedavého prúdu
Kondenzátor v obvode striedavého prúdu
Dióda, PN priechod
Filtre RC a LC
Paralelný rezonančný obvod
Bloková schéma usmerňovača
Jednocestný usmerňovač
Dvojcestný usmerňovač
Zdvojovače a násobiče napätia
Stabilizátory napätia a prúdu
Základné vlastnosti zosilňovača
Skreslenie zosilňovača
Zosilňovač v zapojení SE, SC, SB
Podstata a druhy spätnej väzby zosilňovača
Operačné zosilňovače
Elektronický obvod
Vzniká spojením jednej alebo viac elektronických súčiastok so zdrojom elektrickej
energie. Elektronické súčiastky sa delia:
1. Podľa správania sa v obvode:
a) pasívne – správajú sa ako spotrebič el. energie – R, L, C, dióda, varikap
b) aktívne – správajú sa ako zdroj – tranzistor, integrovaný obvod IO
2. Podľa závislosti od frekvencie:
a) frekvenčne nezávislé – ich elektrické parametre sa s frekvenciou nemenia
– rezistor, dióda, tranzistor
b) frekvenčne závislé – menia svoje parametre s frekvenciou – napr. cievka,
kondenzátor..
3.
Podľa tvaru voltampérovej
charakteristiky na
a) Lineárne –
majú stále
vlastnosti
nezávislé od
veľkosti
obvodových
veličín.
Závislosť
prúdu od
napätia (I =
f(U)) je
lineárna. Patria
sem rezistor, ciecka, kondenzátor.
b) Nelineárne – ich voltampérová charakteristika je zakrivená – nelineárna
a ich vlastnosti sa menia podľa veľkosti veličín obvodu. Patria sem všetky
polovodičové súčiastky.
Obvodové veličiny
Základné sú napätie U a prúd I. Malými písmenami sa označujú okamţité hodnoty
u a i, veľkými písmenami sa označujú jednosmerné a efektívne hodnoty.
Okrem toho sa v obvode označuje polarita napätia a smer prúdu – šipkou. Obvykle sa
napätie značí šípkou od + k -. Smer prúdu sa označuje šípkou ktorá smeruje opačne
ako je skutočný tok elektrónov, ale aj keby sme prúd označili omylom opačne, pri
počítaní obvodu by nám vyšiel prúd správne veľký, len záporný. Aby sme odlíšili šípku
prúdu od šípky napätie, šípka prúdu je uzavretá.
Schéma a schematické značky
Pouţité súčiastky a ich vzájomné spojenie sa vyobrazuje v schéme. Pouţívajú sa
dohodnuté schematické značky, ktoré sú symbolom pre jednotlivé súčiastky.
Elektrické jednobrána – dvojpól
Je vlastne kaţdá súčiastka v obvode. Jednobrána sa môţe správať ako:
1. spotrebič – ak šípky prúdu a napätie smerujú do jednej alebo z jednej
svorky
2. zdroj – ak sú obe šípky v sérii – na konci jednej začína druhá
Jednobrána má závislosť prúdu od napätie – Volt-Ampérovú charakteristiku – VACHA.
Podľa nej sú lineárne a nelineérne jednobrány. Dve spojené jednobrány tvoria
uzavretý systém – elektronický obvod.
Elektrická dvojbrána – štvorpól
Niektoré elektronické súčiastky majú viac ako 2 vývody – napr. tranzistor. Svorky ktoré
slúţia na privádzanie signálu sa volajú VSTUPNÉ a tie, ktorými sa signál odoberá sú
VÝSTUPNÉ. Niektoré svorky sú spoločné pre vstup aj výstup signálu – napr. na
tranzistore v zapojení so spoločným emitorom je emitor aj vstupná aj výstupná svorka.
Na obe strany dvojbrány sa nedá pozerať ako 2 samostatné jednobrány.
Aj ony sa delia podľa VACHA na lineárne a nelineárne. Keďţe na vstupe sú u1,i1 a na
výstupe sú iné u2,i2, VACHA má 4 osi a 4 časti.
Prvky elektronických obvodov - lineárne
1.Rezistor
- je vlastne odporová vrstva nanesená na keramickej vrstve
- je charakterizovaný: menovitým odporom R v ohmoch Ω stanoveným
výrobcom – je daná odchýlka - tolerancia
- má :
o 2 vývody – sú buď vrstvové (1 odporová vrstva) alebo drôtové –
odpor tvorí odporový navinutý na keramickom teliesku
rezistor
o
potenciometer
viac vývodov sú:
 s pevnou
odbočkou

trimre – sú to potenciometre určené na zriedkavú zmenu
odporu
zaťaţiteľnost je povolený výkon, ktorý zohreje R na max. dovolenú teplotu
označované sú číslicami a písmenami k,M,G,T a 4 far. Pruhmi
VŢDY platí ohmov zákon R=U/I aj pri striedavom prúde
v obvode stried. prúdu je sú u a i vo fáze!!!

-
potenciometre – hodnota R sa dá meniť plynulo, pouţívajú sa
aj tandemové – 1 hriadeľ ovláda 2 rôzne odpory naraz
2. Kondenzátor
- je súčiastka ktorá slúţi na hromadenie el. náboja
- sú to vlastne 2 elektródy medzi ktorými je izolant – dielektrikum
- charakterizuje ho menovitá kapacita C v F, nF, pF
- menovité napätie je to, pre ktoré je konštruovaný
- je to frekvenčne závislá súčiastka, nepreteká ňou jednosm. prúd a nízke
frekvencie striedavého, čím vyššia frekvencia, tým lepšie prúd preteká
- v obvode striedavého prúdu ho charakterizuje striedavý odpor – reaktancia
Xc=
-
1
( 2 fC )
v ohmoch Ω
sú:
pevné – nemenia C a ako dielektrikum je papier, fólia, sľuda,
keramika a elektrolytické – dielektrikum je vrstva oxidu – vznikne na
Al doske pôsobením elektrolytu, ktorý tvorí druhú elektródu
o premenlivé – menia C zasúvaním pohyblivých elektród do vane
statorových elektród
o
-
v obvode str.prúdu na ideálnom C prúd predbieha napätie o 90°
skutočný C má aj veľký odpor R a preto sa dá nakresliť ako v sérii
zapojený rezistor R a kapacita C. Na R je napätie Ur v smere prúdu, na C
je napätie Uc kolmo na prúd a tým výsledné U na kondenzátore zaostáva
prúd o uhol MENŠÍ neţ 90°. Ten uhol, čo chýba do 90° je uhol  a čím je
väčší tým sú straty väčšie. Preto aj tg je stratový činiteľ a vyjadruje
veľkosť strát na kondenzátore.
-
Takţe celkový odpor kondenzátora je impedancia Z=U/I= Rc 2 
vΩ
-
1
,
( 2fC ) 2
3. Cievka
- je súčiastka, ktorú tvorí stočený vodič, vnútri ktorého pri pretekaní prúdom
sa vytvára magnetické pole
- môţe mať aj jadro, najčastejšie z feromagnetického materiálu
- jej hlavný parameter je indukčnosť L, jednotka Henry H
- ideálna cievka má nulový odpor, skutočná má malý odpor RL
- kvalita cievky Q=L/ RL
- je to frekvenčne závislá súčiastka, preteká ňou jsm. prúd a nízke
frekvencie striedavého, čím vyššia frekvencia, tým horšie prúd preteká
- v obvode striedavého prúdu ju charakterizuje striedavý odpor – reaktancia
XL = (2fL ) v ohmoch Ω
- v obvode str.prúdu na ideálnej L napätie predbieha prúd o 90°
- skutočná L má aj malý odpor RL a preto sa dá nakresliť ako v sérii
zapojený rezistor RL a indukčnosť L. Na RL je napätie Ur v smere prúdu,
na L je napätie UL kolmo na prúd a tým výsledné U na cievke predbieha
prúd o uhol MENŠÍ neţ 90°.
-
2
Takţe celkový odpor cievky je impedancia Z=U/I= R L  ( 2fL ) 2 v Ω
4. Dióda
- je polovodičová súčiastka, ktorá vzniká spojením polovodiča typu P a N
- je to vlastne PN priechod
- je nelineárna, frekvenčne nezávislá
- má usmerňovacie vlastnosti
- sú hrotové a plošné
- má 2 elektródy – anóda A (typ P) a katóda K (typ N)
Polovodič je materiál, ktorý vedie prúd po dodaní nejakej energie – teplo, svetlo,
napätie.
Polovodič typu N vzniká, ak sa do napr. Si – kremíka (polovodič), ktorý je 4mocný – kaţdý atóm má 4 elektróny, dodá 5-mocný prvok Antimón, takţe 1 elektrón
zostane navyše – voľný, a po privedení U vedie prúd. V polovodiči typu N vedú prúd
elektróny (-).
Polovodič P vzniká dodaním 3-mocného prvku –Indium- do kremíka, takţe 1
elektrón akoby chýbal, a miesto kde chýba sa správa ako kladne nabitá diera. Po
privedení U preskakujú elektróny materiálu do týchto dier, a tým sa akoby diera
pohybuje k pólu -. V polovodiči typu P vedú prúd diery (+).
Spojením typu P a N za tepla sa vytvorí PN priechod. Vtedy sa elektróny
z typu N snaţia dostať do typu P a naopak, čím sa vytvorí elektrické pole na rozhraní
P a N – prechod.
Má usmerňovacie vlastnosti:
- ak pripojíme na P + pól a na N – pól, pri uţ malom napätí – takom ako
napätie PN prechodu vytvoreného pri výrobe, sa dióda stáva vodivá –
prepúšťa prúd ako skrat a tento smer je priepustný
-
ak pripojíme na N + pól a na P – pól, dióda je nevodivá a aj keď zvyšujeme
napätie prúd nevedie. Tento smer sa volá záverný. Pri veľkom U sa
prerazí – zhorí. Keďţe nijaký materiál nie je 100% čistý, sú aj v polovodiči
P elektróny a v N diery. Sú to nečistoty a je ich oveľa menej a pre ne je PN
priechod v závernom smere vodivý, ale je ich málo a tento prúd je
zanedbateľný.
5. Ostatné súčiastky:
Termistor je polovodičová súčiastka,
ktorej odpor závisí od teploty, častejšie
odpor s teplotou klesá. Označuje sa aj
NTC.
Pozistor je termistor, ktorého odpor s
teplotou stúpa. Označuje sa niekedy aj
PTC.
Fotorezistor je pv súčiastka,
ktorej odpor s osvetlením klesá.
Varistor je pv súčiastka, ktorej
odpor závisí od napätie. VACHA
je
Varikap je kapacitná dióda, čiţe jej
kapacita sa mení podľa pripojeného
napätia takto:
Fotodióda je dióda, ktorá pracuje v 2 reţimoch:
a) v hradlovom – priepustnom, sa správa ako
normálna dióda. Pri silnom osvetlení je sama
zdrojom napätia - premieňa svetlo na el.energiu.
b) v odporovom – závernom – záverný prúd sa
s osvetlením zväčšuje
Jednoduché elektronické obvody
Deliče napätia
a. Lineárne – odporové deliče napätia
Ak spojíme 2 alebo viac rezistorov, rozdelíme v nich U a I v pomere ich
odporov. Vznikne tak frekvenčne nezávislá dvojbrána.
Ak pracuje naprázdno – nezaťaţený, na napätie U1 pripadajú odpory R1+R2,
R2
na napätie U2 len R2. Preto platí U2= U 1
.
R1  R 2
Ak delič zaťaţíme
spotrebičom Rz, u2 klesne,
lebo aj cez Rz preteká prúd.
R2 a Rz sa ale dajú nahradiť
jedným Rp, ktorého hodnota
zodpovedá paralelne
zapojeným Rz a R2.
R 2 Rz
Rp=
R 2  Rz
Rp
a U2= U 1
.
R1  Rp
b. Nelineárne deliče napätia
Ak je 1
prvok v obvode nelineárny (VACHA nie je rovná) nedá sa pouţiť matematický
postup, lebo odpor napr. diódy je závislý od U. Obvod sa rieši graficky:
Zdroj s rezistorom si predstavíme ako lineárnu jednobránu, ktorej VACHA
nakreslíme. Bude to priamka a stačí poznať 2 jej body:
- ak je naprázdno – bez záťaţe – jej U=1,5V a I=0A
- ak je v skrate, U=0V a I=U/R=1,5V/800=1,9mA.
Oba body spojíme a máme VACHA jednobrány – volá sa aj zaťaţovacia
priamka.
Ak do tej istej VACHA nakreslíme VACHA diódy, tam kde sa pretnú je
pracovný bod P a odčítame jeho U a I.
c. Frekvenčne závislé deliče
Sú tie, ktoré majú v sebe frekvenčne závislú súčiastku – L,C. Sú:
i.
Filtre RC a RL – majú malé rozmery, sú lacné, pouţ. sa pre nízke frekvencie
I. Dolnopriepustné filtre DP
Udáva sa u nich tzv. napäťový prenos Au 
U2
U1
, čiţe koľko sa zo vstupného U1
dostane na výstup. Keďţe je to frekvenčne závislý delič, Au sa s frekvenciou mení
a kreslí sa závislosť Au od f ako frekvenčná charakteristika. Toto je DP preto, lebo
čím vyššia frekvencia, tým má C menší striedavý odpor – reaktanciu, a na menšom
odpore je menšie U.
II. Hornopriepustné filtre HP – vzniknú zámenou súčiastok a platí - čím niţšia f, tým je
reaktancia cievky niţšia – a aj výst. U2 je niţšie.
III. Pásmové priepusty PP
Prepustia iba určité pásmo frekvencií okolo tzv. kritickej frekvencii. Toto je Wienov
1
článok a kritická fo 
.
2RC
IV. Pásmové zádrže PZ
Majú prenos najmenší práve pri tej istej kritickej frekvencii, takţe vlastne odfiltrujú –
neprepustia určité pásmo f okolo fo.
ii.
Filtre LC
Sú pouţité, ak potrebujeme strmšiu frekvenčnú charakt. Sú tieţ DP,HP,PP a PZ.
Príklady:
Rezonančný obvod RO
Vznikne ak spojíme L a C. Môţe byť:
1. Sériový RO:
Ak sú R,L,C v sérii a budeme im privádzať striedavý prúd, impedancia bude
súčtom R a reaktancií cievky XL a kond. XC. Ak sa obe rovnajú XL=XC bude
Z=R a hovoríme ţe obvod je v rezonancii. To nastane len pri rezonančnej
frekvencii
1
fo 
2 LC
2. Paralelný RO:
Pracuje takto: úplne nabitý C má
všetku energiu obvodu v podobe
svojho náboja. Začne sa vybíjať
cez cievku, stúpa cez ňu prúd
a okolo nej je mag. pole. Ak sa C
vybije, všetku energiu má L
v podobe mag. poľa. Teraz sa
zase cievka vybíja a nabíja tým C.
Takto si L a C menia navzájom
energiu, a funguje to
s najmenšími stratami pri
1
rezonančnej fo 
. Takýto
2 LC
obvod takto kmitá aj po prerušení dodávky vonk. energie. Keďţe sú všade
straty, po čase kmity zaniknú. LC RO sa pouţíva ako zdroj kmitov
v oscilátoroch.
Ak f>fo má obvod kapacitný charakter – I predbieha U
Ak f<fo má obvod indutkívny charakter – U predbieha I.
Usmerňovače a stabilizátory
Elektronické obvody potrebujú pre svoju činnosť jednosmerné napájanie
a keďţe u nás je v rozvodnej sústave str. U 50Hz, pouţívajú sa na premenu str. na
jsm. U usmerňovače.
Najprv sa str. U premení tranformátorom Tr na vhodnú veľkosť (napr. 12V), potom sa
usmerní v usmerňovači U. Usmernené napätie je ešte kostrbaté a preto je tam F filter
– ten odstráni to zvlnenie signálu. Na konci je stabilizátor S – ten udrţiava výstupné
napätie konštantné pri rôznych odberových prúdoch.
Usmerňovače
Sa podľa premeny str. signálu delia na:
1-cestné – prepustia iba jednu polvlnu str. signálu, druhú nie
2-cestné – jednu polvlnu
prepustia a druhú otočia
opačným smerom, takţe obe
polvlny majú rovnakú polaritu.
Nevýhodou je pouţitie
transformátora s dvojitým
sekundárnym vinutím.
Špeciálny prípad 2-cestného
usmerňovača BEZ transformátora,
je mostíkový – Graetzov
usmerňovač, ktorý tvoria 4 diódy
zapojené do mostíka, pričom prúd
vedú vţdy len 2:
Filtrácia v usmerňovačoch
Usmernené U je ešte veľmi kostrbaté – zvlnené, preto ho treba vyrovnať – vyhladiť.
Pouţívajú sa:
a) kapacita – len v zdrojoch s malým odberom prúdu
b) RC – je uţ lepší, ale výstupné U je mäkké – mení sa s odberovým prúdom klesá
c) CRC – alebo viac x za sebou =
d) sa najčastejšie pouţíva v elektronických prístrojoch
e) LC sa pouţíva v prístrojoch v veľkým odberom prúdu
f) CLC bola pouţívaná dávnejšie. Pre e a f platí, ţe L musí byť veľká a preto je
to tlmivka so ţelezným jadrom – drahá a rozmerná. Výstupné U je tvrdé –
nemení sa s odberom.
Násobiče napätia
Často potrebujeme dvojalebo viacnásobné napätie,
neţ je to usmernené. To
urobia násobiče.
Jednoduchý násobič
s dvojitým výstupným
U oproti vstupnému je:
Sú to vlastne 2 samostatné
1-cestné usmerňovače,
kaţdý s filtračným C. Diódy
sú zapojené opačne, takţe kondenzátory majú usmernené napie opačnej polarity.
Kondenzátory sú vlastne filtre, ktoré drţia usmernené napätie. Zapojením sa obe
napätie sčítajú takţe U2 = 2xU1.
Takýmto postupom sa dá získať ľubovoľný násobok vstupného U1. Príklad pre 5násobok je:
Stabilizátory
Ich úlohou je udrţať výstupné napätie usmerňovača stále rovnaké, aby sa nemenilo
podľa veľkosti výstupného prúdu usmerňovača. Jednoduchý stabilizátor je so
Zenerovou diódou:
princíp je, ţe v oblasti VACHA kde sú čiary, sa pri veľkej zmene na zvislej osi
– osi prúdu (napr. zo 100 na 50) napätie mení len minimálne. Platí, ţe čím niţšie
stabilizátor pracuje, tým sú väčšie straty.
Tranzistorový
stabilizátor:
Pracuje takto: ak U1, ktoré
chceme stabilizovať, stúpne, stúpne aj
Uz a aj UR. UR je vlastne UCE a ak to
na tranzistore stúpne, tranzistor sa
otvorí a tým klese kolektorový prúd Ic,
bázový Ib. Tým ale klesne UBE . Ak
spolu sčítame pokles UBE a stúpnutie
Uz, ich súčet je konštatntý, takţe
výsledné U2=Uz+ UBE sa nemení.
Zosilňovače
Zosilňovač je šesťpólový obvod,
v ktorom vstupný signál relatívne
malého výkonu riadi prenos podstatne
väčšej energie z napájacieho zdroja do
záťaţe.
Rozdelenie:
1. Podľa druhu pracovných reţimov:
- zosilňovače malých signálov
(signály sú malé a zakrivenia
VA charakteristík môţeme zanedbať)
- zosilňovače veľkých signálov (signály sú veľké a zakrivenia VA
charakteristík nemôţeme zanedbať)
2. Podľa spracovaných frekvencií:
- nízkofrekvenčné (nf)
- vysokofrekvenčné (vf)
- širokopásmové - ak platí: horná frekvencia/dolná frekvencia = 2 a viac
4. Podľa zapojenia zosilňujúcej súčiastky:
- zosilňovače so spoločným E,B,K
- jednočinné alebo dvojčinné
5. Podľa spôsobu väzby na zdroj a záťaţ:
- s väzbou priamou
- s väzbou kapacitnou
- s väzbou transformátorovou
- s väzbou autotransformátorovou
6. Podľa počtu zosilňujúcich stupňov:
- jednostupňové
- viacstupňové
7. Podľa aktívnej súčiastky: (elektrónkové, tranzistorové, IO, relé..
8. Podľa druhu vstupného signálu: jednosmerné, striedavé, vysokofrekvenčné,
impulzové.
9. Podľa polohy pracovného bodu
- trieda A: uhol otvorenia 360o
- trieda B: uhol otvorenia 180o
- triedy AB: uhol otvorenia väčší ako 180oa menší ako 360o)
- trieda C: uhol otvorenia menší ako 180o
Vlastnosti zosilňovačov
1. Zosilnenie A je definované ako pomer výstupnej veličiny k zodpovedajúcej
vstupnej veličine. Poznáme tri základné zosilnenia:
- napäťové
- prúdové
- výkonové
Au = U2 / U1 [-]
Ai = I2 / I1 [-]
Ap = P2 / P1 [-]
vyjadrené v dB
au = 20.log U2 /U1 [dB] ai = 20.log I2/I1 [dB]
ap =10.log P2 / P1 [dB]
Zosilnenie vyjadrené v dB označujeme ako zisk zosilňovača.
2. Dynamický rozsah D je daný pomerom najväčšieho k najmenšiemu signálu na
vstupe zosilňovača, ktorý je zosilňovač schopný preniesť pri definovanom výstupnom
výkone a skreslení.
D = U1max / U1min alebo DdB = 20.log U1max / U1min [dB]
3. Amplitúdová charakteristika je
grafické znázornenie závislosti amplitúdy
výstupného napätia U2 od amplitúdy U1
vstupného signálu pre určitú frekvenciu
vstupného signálu.
Výstupné napätie U2 má vţdy
určitú počiatočnú hodnotu rovnú
šumovému napätiu Ušum, aj keď na
vstupe nie je ţiadne napätie U1. Je
spôsobené šumovými vlastnosťami
aktívnych a pasívnych súčiastok. Od
napätia U1min po napätie U1max je
charakteristika lineárna. Nad úrovňou U1max sa charakteristika zakrivuje.
4. Vstupná impedancia Zvst je daná pomerom napätia U1 medzi vstupnými
svorkami zosilňovača a prúdom I1 vtekajúcim do vstupných svoriek zosilňovača.
Vstupná impedancia nezávisí od
veľkosti budiaceho signálu, ale závisí
od jeho frekvencie.
Zvst = U1 / I1 [W]
5. Výstupná impedancia Zvýst je
daná pomerom napätia U2 medzi
výstupnými svorkami zosilňovača pri
odpojenej záťaţi a výstupného prúdu
I2 , ktorý je výstupný obvod
zosilňovača schopný dodať pri
skratovaných výstupných svorkách. Nezávisí od veľkosti výstupného signálu, ale od
jeho frekvencie.
Zvýst = U2 / I2 [W]
6. Výstupný výkon P2ef sa udáva ako maximálny výkon na výstupných svorkách
zosilňovača pri definovanom skreslení, frekvencii, tvare signálu a záťaţi.
7. Účinnosť je pomer výstupného efektívneho výkonu P2 na výstupných svorkách
zosilňovača k jednosmernému príkonu Pz odoberaného z napájacieho zdroja.  =
P2/PZ.100% kde PZ je výkon dodaný zdrojom
8. Citlivosť sa udáva veľkosťou menovitého napätia na vstupe zosilňovača, ktorým
na výstupe dosiahneme 50mW (poprípade veľkosť výstupného napätia pre
predzosilňovacie stupne) pre určité skreslenie, záťaţ, frekvenciu a tvar vstupného
signálu.
9. Pásmo priepustnosti B3
(šírka prenášaného
frekvenčného pásma) je
pásmo frekvencií vstupných
signálov, ohraničené hornou
medznou frekvenciou fh a
dolnou medznou frekvenciou
fd. Medzné frekvencie sú
frekvencie, pri ktorých
dochádza k poklesu
zosilnenia o 3dB voči
referenčnej frekvencii fref, pri ktorej je zosilnenie maximálne .
10. Vlastné hlukové napätie je určité malé napätie, ktoré je na výstupných svorkách
zosilňovača aj keď na vstup neprivádzame ţiadny signál. Vytvára neţiadúci hluk v
pozadí uţitočného signálu. Toto napätie je spôsobené zdrojmi hluku samotných
súčiastok a zosilňovacích prvkov. Skladá sa z tepelného šumu odporov, šumu
zosilňovacích prvkov, sieťového brumu z napájacieho zdroja alebo indukovaného
napätia z blízkych zdrojov sieťového napätia.
12. Skreslenie
- lineárne: spôsobujú ho
väzbové členy (R, C, L),
nemení tvar signálu, toto
skreslenie závisí len od
frekvencie t.j. niektoré
frekvencie sú zosilnené
lepšie, iné horšie.
- nelineárne: nezávisí od
frekvencie, ale od amplitúdy
vstupného signálu,
spôsobujú ho nelineárne
časti Volt-Ampérovej charakteristiky (tranzistor).
Voľba pracovného bodu zosilňovača
Pracovný bod je určený na výstupnej charakteristike tranzistora – čo je
závislosť Ik od Uce pri konštantnom bázovom prúde Ib. Pre záťaţ Rz=400
a napájacie napätie 16V vyzerá spolu so zaťaţovacou priamkou takto:
Pracovný bod volí konštruktér a volí ho podľa poţiadaviek, aké má zosilňovač
plniť. Môţu byť takéto – zosilňovač má pracovať:
1. úsporne – má mať malý pokojový prúd – P1
2. lineárne – aby + polvlny zosilnil rovnako ako – polvlny = zvolíme P3
3. s najväčším zosilnením – prac. bod je čo najvyššie = P4
4. ak chceme zosilniť signál s veľkým rozkmitom – prac. bod dáme do stredu
zaťaţovacej priamky = P4.
Pracovné triedy zosiňovača
Niektoré vlastnosti zosilňovača závisia od toho, v ktorom mieste prevodovej
charakteristiky zosilňovacieho prvku je umiestnený kľudový pracovný bod P o. Podľa
toho rozlišujeme 3 triedy zosilňovačov:
Trieda A je definovaná umiestnením
kľudového pracovného bodu Po v strede
lineárnej časti prevodovej charakteristiky a uhol
otvorenia 2ao = T =360°, tak ţe prúd tečie
tranzistorom počas celej periódy vstupného
signálu.
Vlastnosti :
Uhol
otvorenia:
Zosilnenie:
Skreslenie:
Účinnosť:
Pouţitie:
2ao = T =360°
maximálne
minimálne
Malá ( pre sínusový
signál max. 25 % )
nf zosilňovače
a vf predzosilňovacie
stupne
Trieda B je definovaná umiestnením kľudového pracovného bodu Po do
miesta zániku kolektorového prúdu, takţe uhol otvorenia 2ao = T /2 =180° a
tranzistorom tečie prúd počas celej polperiódy
vstupného signálu.
Vlastnosti:
Uhol otvorenia:
2ao = T/2 =180°
Zosilnenie:
stredné
Skreslenie:
veľké
maximálna (teoretický
Účinnosť:
50%)
Prakticky sa trieda B v zapojení s jedným
tranzistorom nepouţíva. Pouţíva sa v tzv.
dvojčinnom zapojení (účinnosť teoreticky 78%)
Pouţitie: v koncových stupňoch NF zosilňovačov
Trieda C je definovaná umiestnením kľudového pracovného bodu Po za
miesto zániku kolektorového prúdu, takţe tranzistorom tečie prúd v kratšom čase ako
je polperióda vstupného signálu.
Vlastnosti:
Uhol otvorenia:
Zosilnenie:
Skreslenie
:
Účinnosť:
Pouţitie:
2ao< T/2 =180°
malé
veľké
stredná
Vf zmiešavače
a nasobiče kmitočtu
Stabilizácia pracovného bodu
Kolísanie polohy pracovného bodu Po spôsobuje
stratu zosilňovacích vlastností, na druhej strane môţe
spôsobiť prekročenie prípustnej kolektorovej straty a
zničenie tranzistora. Preto musíme zabezpečiť
obmedzenie vplyvu teplotných zmien, to jest stabilizáciu
pracovného bodu Po tranzistora. Robia to stabilizačné
obvody - rôznymi spôsobmi, ale vţdy ide o zápornú
spätnú väzbu a to buď prúdovú, napäťovú alebo ich
kombináciu.
My si činnosť stabilizačného obvodu vysvetlíme na
schéme tranzistorového zosilňovača, v ktorom je
zavedená záporná prúdová spätná väzba pomocou
emitorového odporu RE. Pri zvýšení teploty okolia sa zvýši kinetická ( pohybová )
energia majoritných nosičov náboja na prechodoch v tranzistore T z emitora do bázy
a do kolektora, čím sa zvýši prúd v kolektorovej a emitorovej vetve tranzistora,
pričom sa veľkosť vstupného signálu nezmenila. Vplyvom zápornej spätnej väzby sa
na rezistore RE zvýši napätie z URE na URE´. Ak narastie URE musí klesnúť UBE pri
konštantnom UB. Poklesom UBE na hodnotu UBE" klesne prúd IB na hodnotu IB" a cez
prevodovú charakteristiku tranzistora T klesne kolektorový prúd z pôvodnej hodnoty
IK na hodnotu IK". Tým sa posunie pracovný bod Po´ vo výstupných charakteristikách
tranzistora T do bodu Po", ktorý zodpovedá polohou pôvodnému pracovnému bodu
Po.
Napäťová záporná spätná väzba je zaloţená na skutočnosti, ţe pri zvýšení
kolektorového prúdu IK z dôvodu zvýšenia teploty tranzistora, sa napätie UKE zníţi,
čím sa zníţi aj bázový prúd IB na hodnotu IB'' a napätie UBE na hodnotu UBE'', čo
má za následok privretie tranzistora. Privretie tranzistora spôsobí zníţenie
kolektorového prúdu IK a nárast kolektorového napätia UKE na pôvodné hodnoty. Aj
tu platí, ţe výsledný pracovný bod Po'' má súradnice UKE, IK, IB'', UBE''.
Mostíkové zapojenie prúdovej zápornej
spätnej väzby sa vyznačuje vyššou stabilitou napätia UB medzi bázou tranzistora a
elektrickou zemou. Je to zabezpečené odporovým deličom RB1, RB2, ktorý sa volí
tak, aby ním tiekol asi 10-krát väčší prúd ako vteká do bázy tranzistora T.
Základné zapojenia zosilňovačov
S tranzistormi môţeme realizovať tri základné zapojenia zosilňovačov. Na
obrázku a) je tranzistor zapojený so spoločnou bázou, označuje sa skratkou SB, na
obrázku b) je tranzistor zapojený so spoločným emitorom, označuje sa skratkou
SE, na obrázku c) je tranzistor zapojený so spoločným kolektorom, označuje sa
skratkou SK.
Základné parametre zosilňovača s ich hodnotami pre tri základné zapojenia
tranzistora sú v nasledujúcej tabuľke.
Parameter
SB
SE
SK
Rvst [ W ]
101 ÷ 102
103 ÷ 104
105 ÷ 106
Rvýst [ W ]
105 ÷ 106
104 ÷ 105
102 ÷ 103
Au [ - ]
101 ÷ 102
( -101 ) ÷ ( -102 )
<1
<1
101 ÷ 102
101 ÷ 102
101 ÷ 102
103 ÷ 104
101 ÷ 102
Ai
[-]
Ap [ - ]
Rvst
Rvýst
Au
Ai
Ap
....... vstupný odpor
.......
.......
.......
.......
výstupný odpor
napäťové zosilnenie
prúdové zosilnenie
výkonové zosilnenie
Z daných údajov vyplýva:
1. Zapojenie SE má najväčšie výkonové zosilnenie, a obracia polaritu signálu, t.j.
na výstupe je signál o 180 stupňov posunutý voči vstupnému.
2. Zapojenie SB má najmenšiu vstupnú impedanciu a najväčšiu výstupnú. Má
malé zosilnenie výkonu, u prúdu je menej ako 1.
3. Zapojenie SC má najväčšiu vstupnú a najmenšiu výstupnú impedanciu.
Prúdové zosilnenie je veľké, napäťové je menej ako 1. Toto zapojenie sa
nazýva emitorový sledovač.
Viacstupňové zosilňovače a väzba medzi stupňami
Ak sa poţadované vlastnosti nedajú dosiahnuť jedným stupňom, musia sa
spojiť 2 a viac stupňov. Ich spojenie môţe byť urobené viacerými spôsobmi:
1. Priamo viazané dvojice tranzistorov – bez inej súčiastky – výhodou je
frekvenčná nezávislosť a prenos jednosmernej zloţky.
2. Kapacitná väzba – je najjednoduchšia a najčastejšia. Kapacita kondenzátora
C umoţňuje spojenie oboch stupňov, lebo striedavý signál z kolektora T1
prenáša na bázu T2, pričom jednosmerná zloţka sa ním oddelí. Takto moţno
spojiť aj viac stupňov. Výsledné zosilnenie je násobkom jednotlivých zosilnení
A = A1.A2.A3...
Hlavný problém je frekvenčná závislosť, lebo Z tejto väzby je závislá od f,
takţe zosilnenie s niţšími f klesá. Dolná hraničná fmin je tým menšia, čím sú
väčšie R a C.
3. Transformátorová väzba – je najstaršia a jej výhodou je to, ţe transformátor
má ne vstupe a výstupe inú impedanciu – aj zosilňovače majú inú vstupnú
a výstupnú Z a transformátor medzi 2 stupňami ju vhodne prispôsobí.
Transformátor navyše galvanicky oddeľuje vstup a výstup.
Spätná väzba v zosilňovačoch
Spätnou väzbou rozumieme takú elektrickú väzbu medzi stupňami
zosilňovača, pri ktorej sa časť energie zosilneného signálu z výstupu zosilňovača
vedie opäť na jeho vstup. Podľa veľkosti fázového posunu medzi pôvodným
signálom a signálom privedeným z výstupu sa výsledný prenos – zosilnenie - buď
zmenšuje (vtedy hovoríme o zápornej spätnej väzbe) , alebo zväčšuje (vtedy
hovoríme o kladnej spätnej väzbe).
Pri zohľadnení SV je potom výsledné zosilnenie zosilňovača
kde  je činiteľ spätnej väzby a A je prenos SV.
Záporná spätná väzba zmenšuje harmonické, frekvenčné aj fázové
skreslenie, ovplyvňuje vstupnú a výstupnú impedanciu, veľkosť rušivého napätia a
zmenšuje citlivosť zosilňovača na zmenu parametrov tranzistora.
Kladná spätná väzba pôsobí na spomínané parametre zosilňovača vo väčšine
prípadov opačne ako záporná spätná väzba, navyše za určitých podmienok mení
zosilňovač na oscilátor.
Pretoţe spätná väzba závisí od frekvencie, môţe mať zosilňovač v určitom
pásme frekvencií zápornú spätnú väzbu a v inej frekvenčnej oblasti kladnú spätnú
väzbu. Preto pri zosilňovači so spätnou väzbou je najväčším problémom jeho
stabilita, t.j. odolnosť proti rušivému samočinnému kmitaniu. Na obrázkoch sú
znázornené rôzne spôsoby zapojenia obvodu spätnej väzby medzi vstupom a
výstupom zosilňovača.
1.
2.
Napäťová SV - blok spätnej väzby sa pripája paralelne k záťaţi RZ, bude
spätnoväzbové napätie Uß priamo úmerné napätiu na výstupe
Prúdová SV - blok spätnej väzby je v sérii so záťaţou RZ, bude Uß priamo
úmerné prúdu záťaţe I2
Sériová SV - Ak sa napätie Uß pripája do série so vstupným napätím
zosilňovača
B. Paralelná SV - ak je Uß pripojené paralelne ku vstupu
Z obrázku môţeme vyčítať aj tú skutočnosť, ţe so zavedením spätnej väzby
sa nielenţe zmenší frekvenčné skreslenie, teda sa vyrovná frekvenčná
charakteristika, ale sa zväčší aj šírka prenášaného pásma pre pokles o 3
A.
dB.
Vplyv SV na impedanciu zos.:
- paralelná napäťová
zniţuje
zniţuje
- sériová napäťová
zvyšuje
zniţuje
- sériová prúdová
zvyšuje
zvyšuje
- paralelná prúdová
zniţuje
zvyšuje
Zvýšenie alebo zníţenie je ( 1 + ßA ) - krát.
Príklady SV: sériová prúdová
paralelná napäťová
1.
2.
3.
4.
Pouţitie SV:
+SV sa výnimočne zvyšuje zosilnenie, častejšie sa pouţíva v oscilátoroch
–SV sa často pouţíva v nf zosilňovačich
jesnosmerná SV teplotne stabilizuje pracovný bod tranzistorov
v špeciálnom zapojení tranzistorov sa členom RC alebo LC dosiahne to, ţe
tranzistor sa správa ako premenlivá C alebo L – v závislosti od pripojeného
napätia. To sa vyuţíva na automatické doladenie frekvencie oscilátora.
Príklad jednosmernej a striedavej SV:
Činnosť je nasledovná
:
Ak sa napríklad z dôvodu oteplenia otvorí viac tranzistor T2, zvýši sa jeho
emitorový prúd, ktorý vyvolá zvýšenie úbytku napätia na rezistore R"E2. Toto napätie
cez rezistor Rjs otvorí viac tranzistor T1. Napätie na kolektor tranzistora T1 klesne,
čím sa tranzistor T2 privrie a zníţi svoj kolektorový a teda aj emitorový prúd na
hodnotu blízku pôvodnej hodnote. Tento obvod jednosmernej zápornej spätnej väzby
nereaguje na striedavé obvodové veličiny, pretoţe tie sú vyblokované pre túto vetvu
kondenzátorom CE2 dostatočne veľkej hodnoty. Striedavá vetva záporvej spätnej
väzby je pre zmeny jednosmerných obvodových veličín oddelená kondenzátorom
CV2.
Ak sa z nejakej príčiny zvýši výstupné napätie na svorkách 2-2', zvýšený
prúd vo vetve s rezistorom Rst spôsobí zvýšenie úbytku napätia na rezistore RE1,
teda zvýšenie potenciálu na emitore tranzistora T1. To má za následok pri
konštantnom napätí bázy (jednosmerná záporná SV na zmeny striedavých
obvodových veličín nereaguje vďaka kondenzátoru CE2) privretie tranzistora T1 a
následné priotvorenie tranzistora T2, čím amplitúda striedavého napätia na jeho
kolektore klesne skoro na pôvodnú poţadovanú hodnotu.
Takýmto spôsobom je zabezpečená stabilita jednosmernej polohy
pracovného bodu Po a stálosť zosilnenia zosilňovača od okolitých vplyvov prostredia.
Výkonové zosilňovače
1.Jednočinný koncový stupeň
- T pracuje v triede A, výstupný transformátor prispôsobí výstupnú impedanciu T k
impedancii záťaţe.
2.Dvojčinný koncový stupeň bez výstupného transformátora - drahý a objemný
výstupný transformátor sa dá nahradiť tak, ţe T1T2 sú v sérii pre napájanie a
paralelne pre zosilňovaný signál, oba pracujú v triede B
- ak sú tranzistory rovnakého typu (NPN) zapojenie sa volá
kvázikomplementárne, ak je jeden NPN a druhý PNP je zapojenie
komplementárne
3.Dvojčinný koncový stupeň s výstupným transformátorom - zapojenie je rovnaké,
ako v 2, len má transformátor a ten má uzemnený stred sekundárneho vinutia - na
dodanie rovnakého výkonu mu stačí polovičný signál (oproti zapojeniu 2)
Vysokofrekvenčné zosilňovače
Sú to zosilňovače na zosilnenie vysokých frekvencií. Základom je
paralelný rezonančný obvod, ktorý je zapojený namiesto zaťaţovacieho rezistora.
Potom je frekvenčná charakteristika a aj šírka pásma zosilňovača určená výhradne
týmto RO-om – jeho činiteľom akosti Q =
Rv
2fL
Kde Rv je odpor paralelného
RO
s výstupným odporom tranzistora a vstupným odporom ďaľšieho zos. stupňa. Šírka
pásma sa teda so zosilnením nemení, závisí len od Q.
V praxi sa pouţívajú aj dvojice ladených obvodov: jeden LC obvod je naladený
na f1, druhý na trocha vyššiu f2. Ak sú cievky vo vhodnej blízkosti ta, ţe sa ich
indukčnosti ovplyvňujú – existuje vzájomná indukčnosť M, výsledkom je širšie
rezonančné pásmo takéhoto obvodu:
Rezonančné krivky takejto dvojice závisia od činiteľa väzby k a pre k<>=1 takejto
dvojice - a sú takéto: Ak kQ>1 je väzba nadkritická – pouţíva sa práve vo vf zos., ak
kQ<1 je väzba podkritická a ak kQ=1 je kritická.
Pri vf zosilňovači je problém: kapacita priechodu PN priechodu kolektor - báza
– Millerova kapacita - sa pri vysokých frekvenciách začína uplatňovať tak, ţe vznikajú
oscilácie. Je to vlastne vnútorná spätná väzba, ktorá sa dá odstrániť:
1)
zavedením vonkajšej spätnej väzby opačného charakteru (indukčného)
2)
zaťaţením vstupu a výstupu tranzistora väčšími vodivosťami (menší vstupný a
výstupný odpor) = zatlmenie
Na frekvenčnej charakteristike vidíme priebeh bez kompenzácie – spodný,
s kompenzáciou – stredný a horný je priebeh kompenzačného člena. Príkladom
kompenzácie je sériovoparalelná kompenzácia:
Jednosmerné zosilňovače
Jednosmerné zosilňovače sú také zosilňovače, ktorých prenos nie je rovný
nule pri nulovej frekvencii vstupného signálu, teda f = 0 Hz. Tieto zosilňovače sa
pouţívajú v rôznych zapojeniach
pre automatizačnú techniku, v
stabilizátoroch napätia a prúdu, pri
zosilňovaní rôznych fyzikálnych
veličín prevedených na napätie
alebo prúd (tlak, teplota, svetelný
tok, vodivosť a pod.), ktoré sa
vyznačujú veľmi pomalými
zmenami svojej veľkosti.
Charakteristickou vlastnosťou
týchto veličín je ich veľmi nízka
frekvencia, ktorá môţe byť 1 aţ
0,01 Hz. Ide teda o veľmi pomaly
sa meniace veličiny, ktoré moţno
zjednodušene povaţovať za nemenné a ak sú premenené na elektrické napätie,
môţeme ich povaţovať za jednosmerné. Takéto signály môţu prechádzať cez
zosilňovač iba pri priamej jednosmernej ( galvanickej ) väzbe stupňov zosilňovača,
zdroja signálu a záťaţe. Jednosmerný zosilňovač s takouto väzbou má však aj
niekoľko špecifických vlastností, ktoré komplikujú tak jeho zapojenie, ako aj vyuţitie.
Jednosmerná väzba dobre prenáša skokové zmeny potenciálu a pomalé zmeny
prúdu, ale komplikuje nastavenie pracovného reţimu zosilňovacích prvkov a tým
vyvoláva nestabilitu zosilňovača.
Jedným z problémov, s ktorým sa často stretávame v jednosmerných
zosilňovačoch, je výskyt jednosmerného napätia na vstupe, ale aj na výstupe
zosilňovača. Ďalším váţnym problémom je to, ţe ak sa zmení z voľajakej príčiny
hodnota niektorej obvodovej veličiny zosilňovacej súčiastky (napríklad teplom),
vplyvom jednosmernej väzby sa táto zmena dostane zosilnená na výstupné svorky
zosilňovača. Tieto zmeny sú potom nerozoznateľné od zmien, ktoré sú vyvolané
pôsobením uţitočného signálu na vstupe zosilňovača.
Riadenie zosilnenia zosilňovača
Môţe byť:
- ručné – robí uţívateľ sám
- automatické – mení sa automaticky podľa poţiadaviek konštruktéra –
a volá sa AVC. Slúţi napr. na to, aby rozhlasový prijímač rovnako hral pri
blízkom av vzdialenom vysielači.
-
Operačné zosilňovače
Sa pouţívajú v meracej a
regulačnej technike, ale aj ako nf
zosilňovače. OZ je zloţitý obvod s
vysokým ziskom, schopný zosilniť
aj jednosmerné signály. Pracuje
ako rozdielový zosilňovač s 2
vstupmi, pričom na výstupe je
zosilnený ich rozdiel. Vstup
označený - je invertujúci, + je
neinvertujúci.
ideálny OZ
nekonečne veľké zosilnenie
nekonečne veľký vstupný odpor
nulový výstupný odpor
frekvenčná nezávislosť
Vlastnosti OZ:
- reálny OZ
- 80-160dB
- 50k-2Mohm
- 50-150 ohm
Pouţitie OZ
1.Invertujúci OZ
ir=i1+i2
i1=(u1-ur)/R1
i2=(u2-ur)/R2
- keďţe vstupný odpor OZ je nekonečný a
zosilnenie je nekonečné, musí platiť
ir=0=(u1-ur)/R1+(u2-ur)/R2
U2=-R2.U1/R2=k.U1
a napäťové zosilnenie
AU=U2/U1=-R2/R1
t.j. zosilnenie obvodu nezávisí od OZ, ale len od
vonkajších prvkov R1 a R2.
2.Prevodník napätie - prúd
3.Prevodník prúd - napätie
4.Prevodník kapacita - napätie, odpor - napätie
- pouţívajú sa v meracej technike
5.Integračný zosilňovač
6.Derivačný zosilňovač
IO ako zosilňovače
Vyznačujú sa veľkým ziskom, dobrou tepelnou stabilitou a spoľahlivosťou aj
pri vyšších teplotách. Pri ich pouţití je návrh zosilňovača jednoduchší. Stačí nájsť
vhodný IO a doplniť ho obvodmi napájania, filtrácie a spätnej väzby.
Druhý polrok
Otázky
Princíp činnosti oscilátorov
Rozdelenie oscilátorov
LC oscilátory
RC oscilátory
Oscilátory riadené kryštálom
Amplitúdová modulácia
Frekvenčná modulácia
Impulzová modulácia a jej druhy
Amplitúdový a frekvenčný modulátor
Zmiešavače
Demodulátory AM
Diódové demodulátory
Demodulátory FM
Fázový diskriminátor
Pomerový detektor
Oscilátory a generátory.
Oscilátory sú zariadenia, ktoré vytvárajú za určitých podmienok periodické priebehy fyzikálnych
veličín. Sú mechanické, akustické, elektronické. Kaţdý elektronický oscilátor je charakterizovaný:
-
amplitúdou a tvarom výstupného napätia U
frekvenciou f
vnútorným odporom Ri
Z hľadiska spotreby energie, môţeme ho povaţovať za štvorpól, teda dvojbránu. Jeho vstupom sú
napájacie svorky, cez ktoré oscilátor odoberá zo zdroja jednosmerný napájací výkon a jeho výstupom
sú výstupné svorky, cez ktoré dodáva do záťaţe príslušný striedavý výkon.
Rozdelenie a základné vlastnosti oscilátorov.
1. Delenie podľa tvaru výstupného signálu :
a. oscilátory, ktorých výstupné napätie má tvar sínusovky nazývame harmonické oscilátory,
alebo oscilátory.
b. oscilátory, ktorých výstupné napätie má ľubovoľne iný tvar ako sínusový, napr. obdĺţníkový,
trojuholníkový, pílovitý, impulzný nazývame neharmonické oscilátory, alebo jednoducho
generátory.
2. Delenie podľa frekvencie vytváraných kmitov :
-2
6
a. nízkofrekvenčné oscilátory. Frekvenčný rozsah vytváraných kmitov je od 10 Hz po 10 Hz.
6
b. vysokofrekvenčné oscilátory. Frekvenčný rozsah vytváraných kmitov je od 10 Hz. Z hora
hranica nie je daná.
3. Podľa druhu prvku určujúceho frekvenciu vytváraných kmitov :
a. oscilátory LC, v ktorých frekvenciu kmitov určuje rezonančný obvod LC, či uţ sériový alebo
paralelný. V elektronických prístrojoch sa vyskytuje najčastejšie. Oscilátory LC sa pouţívajú
ako laditeľné oscilátory v prijímačoch, vysielačoch, meracích prístrojoch a pod. Stabilita
-3
-5
frekvencie vytváraných kmitov sa pohybuje od 10 po 10 .
b. oscilátory riadené piezoelektrickým rezonančným prvkom, tzv. kryštálovým výbrusom (
kryštálom ). Tieto oscilátory majú vynikajúcu frekvenčnú stabilitu vytváraných. Pouţívajú sa
preto tam, kde sú prísne poţiadavky na stabilitu frekvencie kmitov. Oscilátory riadené
kryštálom je moţné prelaďovať len v úzkom rozsahu.
c. oscilátory s rezonančným vedením, v ktorých rezonančný obvod tvorí úsek súosého alebo
súmerného vedenia dĺţky l/4 alebo l/2, ktorý sa vyznačuje vysokým činiteľom kvality Q. Preto
-6
-7
tieto oscilátory majú za optimálnych podmienok dobrú frekvenčnú stabilitu, asi 10 aţ 10 .
Podobne ako elektromechanické rezonančné prvky sú citlivé na mechanické vplyvy. Je ich
však moţné prelaďovať v rozsahu niekoľko jednotiek aţ desiatok kHz.
d. oscilátory RC, v ktorých je v obvode spätnej väzby zapojený frekvenčne selektívny obvod RC .
Tieto oscilátory sú vhodné len pre oblasť nízkych frekvencií. Stabilita vytváraných kmitov je
-4
max. 10 . Oproti doposiaľ spomínaným oscilátorom majú výhodu v tom, ţe sú preladiteľné vo
veľkom rozsahu, cez niekoľko dekád, bez výraznejšej zmeny svojich vlastností.
4. Podľa účelu a pouţitia :
-
a. oscilátory pre frekvenčné normály, t.j. zdroje kmitov s vysokou stálosťou frekvencie a to od 10
7
-9
aţ po 10 . Najčastejšie sú riešené ako oscilátory riadené kryštálovým výbrusom.
b. nf oscilátory pre meracie účely. Vyţaduje sa od nich stálosť nastavenej amplitúdy a malý
obsah vyšších harmonických kmitočtov, skreslenie pod 1 %.
c. vf oscilátory pre meracie účely. Vyţaduje sa od nich stálosť nastavenej amplitúdy, malý obsah
vyšších harmonických kmitočtov. a moţnosť amplitúdovej alebo frekvenčnej modulácie.
d. oscilátory výkonové, pre účely vysokofrekvenčného ohrevu indukčného alebo dielektrického,
napr. pre mikrovlné rúry a pod.
e. oscilátory pre zmiešavače, ktoré musia byť preladiteľné v širokom rozsahu frekvencií so
stabilnou amplitúdou.
-5
-7
f. oscilátory pre budiče vysielačov, s vysokou stabilitou frekvencie 10 aţ 10 .
Princíp činosti oscilátorov
Ak je prepínač v polohe 1 kondenzátor C sa nabíja na Uc. V okamihu prepnutia do 2 sa vybíja
cez L. V čase, keď je úplne vybitý, je prúd cez cievku maximálny a energia cievky (magnt. pole) začína
nabíjať C na opačnú polaritu. Je to vlastne paralelný RO. Ak by boli súčiastky a spoje ideálne, vznikli
by tak nakreslené netlmené kmity. Keďţe však sú L a C reálne, vznikajú v obvode straty a kmity by po
čase zanikli:
Preto je v kaţdom oscilátore
okrem zdroja kmitov aj obvod,
ktorý doplní energiu strát, aby
boli
kmity
netlmené
–
zosilňovač. Keďţe by však
zosilňovač
mohol
dodať
energie veľa alebo málo, musí
túto energiu stráţiť kontrolný
obvod – spätná väzba. Musí
preto platiť:
1. Amplitúdová podmienka - ak vynásobíme zosilnenie zosilňovača A a zoslabenie sp. Väzby ß platí
ß.Au=1 . V praxi sa nastavuje tento súčin na hodnotu mierne väčšiu ako jedna.
o
2. Fázová podmienka je, ţe súčet fázových posunov zosilňovača a sp. Väzby je = 360
φß +φA = 2.k.360 ( k = 0, 1, 2, ... )
Ak sú obe splnené, kmity sú netlmené:
Harmonické oscilátory.
Oscilátory LC
Oscilátory s rezonančným obvodom LC sa pouţívajú oko zdroje striedavého napätia alebo prúdu
s priebehom blízkym sínusovému. Harmonické LC oscilátory sa delia do dvoch skupín. Prvú skupinu
tvoria oscilátory s indukčnou väzbou v bloku spätnej väzby. Druhú skupinu tvoria oscilátory v
trojbodovom zapojení.
1. LC oscilátory s indukčnou väzbou.
Spätná väzba sa realizuje pomocou transformátora, ktorého jedno vinutie spolu s kondenzátorom
vytvára kmitavý ( rezonančný ) obvod. Aby bola splnená fázová podmienka v oscilátore s jedným
tranzistorom ( ten otáča fázu napätia o 180° ), tento transformátor zabezpečuje otočenie fázy
v spätnoväzobnom bloku o ďalších 180°. Toto je dosiahnuté navinutím cievok transformátora
v opačnom zmysle, proti sebe. Frekvenciu vytváraných kmitov vypočítame zo známeho Thomsonovho
vzťahu :
Hlavnými predstaviteľmi tejto skupiny
oscilátorov sú Meissnerov oscilátor a od neho
odvodený Schnellov oscilátor. Spätnoväzobný blok ß
je zloţený z transformátora, ktorého primárna cievka Lv
je pripojená na výstup zosilňovacieho bloku A cez
väzobný kondenzátor C2 a sekundárna cievka Lo spolu
s kondenzátorom Co je pripojená na vstup
zosilňovacieho bloku A cez väzobný kondenzátor C1.
Zosilňovací blok je tvorený zosilňovačom s tranzistorom T. Na zlepšenie stability polohy
pracovného bodu Po tranzistora je RE. Aby tento rezistor nezniţoval zosilnenie zosilňovača pre
striedavý signál, je premostený kondenzátorom CE. Delič RB1 a RB2 určuje kľudovú polohu pracovného
bodu Po. Filtračný kondenzátor Cf zabraňuje prípadnému šíreniu striedavého signálu napájacou
vetvou zosilňovača.
2. Trojbodové oscilátory
Indukčná alebo kapacitná vetva
rezonančného obvodu
v spätnoväzobnom bloku je
realizovaná ako napäťový delič
a v troch bodoch pripojená
k aktívnemu prvku zosilňovacej časti
oscilátora. Vznik potrebného
fázového posunu o 180° sa dosahuje
vhodným spojením reaktančných
prvkov, na ktorých sa na kaţdom posunie fáza napätia a prúdu o plus ( + ) alebo mínus ( – ) 90°.
Oscilátory riadené kryštálom.
Piezoelektrický jav sa vyskytuje vo viacerých látkach, no najvýraznejší je v kremeni, turmalíne,
titaničitanoch a fosforečnanoch. Z kryštálu sa reţú tenké platničky, ktoré sa vybrúsia na potrebné
rozmery. Na ich bočné steny sa naparia kontaktové plôšky zo striebra ( niekedy aj zlata ), ktorými sa
prichytávajú do drţiakov. Takto vyhotovený kryštálový rezonátor sa umiestňuje do skleneného alebo
kovového puzdra, v ktorom je vákuum.
V takto zhotovených kryštálových rezonátoroch má piezoelektricky jav tri základné charakteristické
vlastnosti:
1. Po privedení napätia na vývody kryštálu dochádza k mechanickým deformáciám, ohybu
platničky.
2. Pri mechanickom ohybe platničky vznikajú na prívodoch elektrické náboje, ktoré majú opačnú
polaritu. Vzniká malé elektromechanické napätie medzi prívodmi kryštálu.
3. Kryštál ako mechanická sústava má svoju vlastnú mechanickú rezonančnú frekvenciu.
Z týchto vlastností vyplýva, ţe ak privedieme na prívody kryštálu striedavý elektrický signál, ten
spôsobí premenlivé deformácie platničky kryštálového rezonátora. Pri deformáciách zasa naopak,
kryštálový rezonátor vytvára na svojich prívodoch premenlivé napätie, ktorým sa udrţiavajú elektrické
kmity v obvode oscilátora. Amplitúda kmitov mechanických, ale aj elektrických bude maximálna a teda
bude mať minimálne tlmenie, ak frekvencia elektrických kmitov sa bude rovnať mechanickej
rezonančnej frekvencii kryštálu. Meniť frekvenciu kryštálu plynulo je moţné len v rozsahu niekoľkých
desiatok aţ stoviek Hz.
Oscilátory RC.
Oscilátory LC nie sú veľmi vhodné na vytváranie nízkofrekvenčných kmitov, pretoţe pre frekvencie
po 20 kHz musia mať cievky a kondenzátory veľké rozmery a váhu. Pre túto frekvenčnú oblasť sú
výhodnejšie oscilátory RC. Majú spätnoväzobný štvorpól zloţený s rezistorov R a kondenzátorov C,
ktorý určuje kmitočet oscilácií. Hlavnými zástupcami RC oscilátorov sú:
1. oscilátory s kaskádnym radením štvorpólov RC
Schéma oscilátora, ako vidíme z obrázka, sa skladá zo zosilňovacieho bloku A tvoreného
tranzistormi T1 ( v praxi sa často nepouţíva ) a T2 a zo spätnoväzobného bloku ß tvoreného trojicou
derivačných článkov C1R1, C2R2, C3R3. V praxi tieto články sú realizované z rovnakých rezistorov R,
teda R1 = R2 = R3 =R a z rovnakých kondenzátorov C, teda C1 = C2 = C3 = C. Tranzistor T1
v zosilňovacom bloku plní funkciu impedančného transformátora ( emitorový sledovač ), ktorý
prispôsobuje väčšiu výstupnú impedanciu spätnoväzobného bloku ß podstatne menšej vstupnej
impedancii tranzistora T2 , v ktorom je sústredené celé zosilnenie zosilňovacieho bloku A. Oscilátory
RC s kaskádnym radením štvorpólov sú vhodné pre prácu na jednej frekvencii s menšou poţiadavkou
na frekvenčnú stabilitu a tvarové skreslenie signálu. Sú pouţiteľné pre frekvencie do 1 MHz.
2. oscilátory s pásmovými filtrami, v ktorých sa pouţívajú selektívne RC články a to :


pásmový priepust s Wienovým článkom
pásmová zádrţ s premosteným alebo dvojitým T článkom
Wienov oscilátor má oproti oscilátoru s kaskádnym radením štvorpólov
veľa výhod, ktoré ho predurčujú pre široké pouţitie najme v meracej
technike. Tieto vlastnosti môţeme zhrnúť do niekoľkých bodov :



Wienov oscilátor je
rozsahu
v tzv. mostíkovom
frekvenčná stabilita
veľmi malé tvarové
oscilátora.
plynulo preladiteľný v širokom
zapojení je veľmi dobrá
kmitov v tomto oscilátore.
skreslenie výstupného signálu
Ako uţ bolo povedané,
technike na výrobu
asi od 1 Hz aţ do 1 MHz.
Wienov oscilátor sa pouţíva v meracej
oscilátorov s meniteľnou frekvenciou
Generátory neharmonických signálov.
V zariadeniach automatizačnej, výpočtovej alebo meracej techniky sa zasa stretávame s generátormi
neharmonických, nesínusových signálov.
Multivibrátory
Multivibrátory patria medzi generátory periodických pravouhlých signálov
Stabilný stav obvodu sa rozumie pracovný reţim, v ktorom obvod môţe zotrvať neobmedzene dlhú
dobu. Tento stav obvod zmení len pôsobením určitých vonkajších vplyvov.
Nestabilný stav obvodu sa rozumie pracovný reţim, v ktorom sa obvod nachádza len určitú
prechodnú dobu, závislú na vlastnostiach obvodu. Do nestabilného stavu sa obvod dostáva
pôsobením vonkajšieho signálu zo stabilného stavu, alebo samovoľne z druhého nestabilného stavu.
Astabilný preklápací obvod [ AKO ]
Základným typom je zapojenie s dvoma tranzistormi rovnakej polarity. V schéme je navyše zapojený
spínač S, ktorý sa v reálnom, praktickom zapojení nepouţíva. Nemá ţiadny stabilný stav, takţe stále
preklápa – vţdy je otvorený len 1 z dvojice tranzistorov, druhý je zavrený. V okamţiku jeho otvorenia
sa ten otvorený zatvára. Tento dej sa periodicky opakuje, pričom pomer času otvorenia oboch
tranzistorov závisí odC1,C2,Rb1, Rb2.
Monostabilný preklápací obvod [ MKO ]
Monostabilný preklápací obvod je obvod s jedným stabilným stavom a s jedným nestabilným
stavom. V stabilnom stave môţe zotrvať neobmedzene dlhú dobu, v nestabilnom stave len určitú
prechodnú dobu. Táto prechodná doba závisí od vlastností obvodu a označuje sa ako doba kyvu
monostabilného obvodu. Zo stabilného stavu do nestabilného stavu sa obvod dostáva pôsobením
krátkeho vonkajšieho impulzu. Z toho vyplýva, ţe monostabilný preklápací obvod na rozdiel od
astabilného preklápacieho obvodu má nielen výstupné svorky, ale aj vstupné svorky.
Bistabilný preklápací obvod [ BKO ]
Zotrváva v jednom z dvoch stabilných stavov počas ľubovoľného časového intervalu
a preklopí sa aţ po privedení spúšťacieho impulzu. Má dva vstupy a dva výstupy . Zjednodušená
schéma bistabilného preklápacieho obvodu s tranzistormi je na obrázku niţšie spolu s priebehmi
napätí na vstupe a oboch výstupoch obvodu.
Ide o obvod odvodený z astabilného preklápacieho obvodu. Zmena je len v tom, ţe väzba z kolektora
jedného tranzistora na bázu druhého tranzistora je realizovaná rezistorom a nie kondenzátorom. Ide
teda o jednosmernú väzbu medzi tranzistormi. Podobne ako u astabilného preklápacieho obvodu ani
u bistabilného preklápacieho obvodu nie je po pripojení napájacieho napätia +UCC úplne jednoznačne
dané, ktorý tranzistor sa otvorí ako prvý a ktorý ostane uzatvorený.
Akonáhle v čase to privedieme na vstup bistabilného preklápacieho obvodu vstupné pravouhlé
napätie uvst, cez väzobné kondenzátory CV1 a CV2 sa vytvoria krátke impulzy kladnej aj zápornej
polarity. Na kladný impulz zareaguje vţdy ten tranzistor, ktorý je práve uzatvorený a ktorý sa ním
následne otvorí. Tranzistor T2 sa otvorí a cez svoj otvorený prechod K–E uzemní pravú svorku
rezistora RB1. Tým sa uzatvorí tranzistor T1, pretoţe zanikne budiaci prúd IB1 ( medzi bázou
a emitorom tranzistora T1 je nulové napätie ). Toto platí aj naopak – pre opačný stav KO.
Pre zmenu signálu na výstupoch bistabilného preklápacieho obvodu o jednu periódu musí sa
vstupný pravouhlý signál zmeniť o dve periódy. Obvod násobí periódu vstupného signálu dvakrát,
alebo tieţ, ţe obvod delí frekvenciu kmitov vstupného signálu dvakrát, pretoţe frekvencia kmitov f =
1/T.
Blokovací generátor
Medzi generátory, ktoré vytvárajú pravouhlý signál s veľmi veľkým pomerom dĺţky trvania
impulzu voči dĺţke trvania medzery, alebo tieţ naopak, patrí blokovací generátor. Je to obvod, ktorý
má vo vetve kladnej spätnej väzby zapojený transformátor Tr zloţený z cievok LK a LB so správne
zvoleným začiatkom a koncom ich vinutí ( začiatok označený bodkou ). Tento spätnoväzobný člen nie
je selektívny ( ako je to v LC oscilátore ), preto je širokospektrálny a z toho dôvodu na výstupe
generátora dostávame obdĺţnikový impulzný signál. Lb a C je zdroj kmitov, T je zosilňovač a LkLb je
spätná väzba.
Pouţitie tohto generátora je v riadkových rozkladových generátoroch TV, v meničoch
napätia a v generátoroch vytvárajúcich krátke impulzy pre potreby číslicovej a automatizačnej
techniky. Výhodou tohto obvodu je jeho jednoduchosť, prevádzková spoľahlivosť a moţnosť
galvanického oddelenia výstupu.
Schmittov preklápací obvod [ SKO]
Do skupiny bistabilných
preklápacích obvodov patrí aj Schmittov preklápací obvod. Tento obvod na rozdiel od uţ
spomínaného bistabilného preklápacieho obvodu s dvoma tranzistormi je moţné ovládať ( spúšťať )
vstupným signálom ľubovoľného tvaru, ba dokonca aj jednosmerným napätím. Práve preto sa tieţ
zaraďuje do skupiny tvarovacích obvodov. Na výstupe dostaneme vţdy signál pravouhlého tvaru
Ide o dvojstupňový, jednosmerne viazaný zosilňovač so zavedenou kladnou spätnou väzbou
cez emitorový rezistor RE. Tento rezistor je spoločný emitorový rezistor pre obidva tranzistory T1 aj T2.
V tomto obvode je v stabilnom stave tranzistor T2 otvorený a tranzistor T1 zatvorený. V prechodnom
stave je tranzistor T2 zatvorený a tranzistor T1 otvorený. Ovládanie tranzistora T2 tranzistorom T1 je
realizované cez odporový delič zloţený z rezistorov R1 a R2.
Generátory pílovitých signálov
Generátory pílovitých signálov sú zdroje signálov pílovitého alebo trojuholníkového priebehu.
Väčšina týchto generátorov je zaloţená na periodickom nabíjaní a vybíjaní kondenzátora. S týmito
generátormi sa stretávame v osciloskopoch v ich časových základniach, v televíznych prijímačoch v
ich rozkladový riadkových
a snímkových generátoroch,
v rozmietaných generátoroch (
wobleroch ) určených na
sledovanie frekvenčných
charakteristík štvorpólov a pod.
Základnou poţiadavkou na
pílovitý signál je, aby nárast
napätia píly bol lineárny. Tým, ţe
na generovanie píly sa pouţíva
proces nabíjania a vybíjania
kondenzátora, jej tvar nie je úplne
lineárny.
Reálny a ideálny priebeh sa od seba líšia. Odchýlka reálneho od ideálneho priebehu je chyba linearity
δ. Perióda pílovitého signálu sa skladá z dvoch časov a to z času t1 a t2. Čas t1 sa nazýva doba
nábehu ( činný beh ). Čas t2 sa nazýva doba dobehu ( spätný beh ). Pri pílovitom signále
poţadujeme, aby čas dobehu t2 bol čo najkratší. Pri trojuholníkovom signále zasa musí platiť, ţe t1 =
t2.
Vo väčšine beţných generátorov na generovanie pílovitého signálu sú základnou elektronickou
súčiastkou kondenzátory. Aby bol proces generovania periodický, musíme zabezpečiť pravidelné
vybíjanie kondenzátora po jeho nabití na určitú úroveň napätia. Toto sa dá zabezpečiť pripojením
spínača paralelne ku kondenzátoru, tak ako to vidno na obrázku.
Obvod sa skladá z rezistora R,
kondenzátora C a zo spínača S.
Kondenzátor C by sa po
pripojení napätia UCC nabil na
túto hodnotu a ostal by nabitý.
Ak však v čase t1 zopneme
spínač S, kondenzátor sa rýchlo
vybije a po rozopnutí spínača S
sa proces nabíjania
kondenzátora môţe opakovať.
Na výstupe dostávame pílovitý
signál s maximálnou úrovňou
upmax, ako je to znázornené na
obrázku b).. Miesto
mechanického spínača
môţeme napríklad pouţiť tranzistor T v spínanom reţime ovládaný pravouhlým signálom alebo
tyristor:
V tomto generátore sa kondenzátor C nabíja cez rezistor R1, pokiaľ tyristor Ty je v uzavretom stave.
Pri napätí píly upmax prúd Ity dosiahne hodnotu, pri ktorej prechádza tyristor do vodivého stavu, kedy sa
cez neho kondenzátor C okamţite vybije. Pri poklese napätia up pod hodnotu 0,6 V sa tyristor uzatvorí
a kondenzátor C sa začne zasa nabíjať cez rezistor R1. Tým sa dostávame na začiatok generovania
novej periódy pílovitých kmitov.
Ak chceme získať trojuholníkový signál nie
príliš vysokej frekvencie (stovky kHz),
môţeme pouţiť Millerov integrátor s OZ.
Ide o jednosmerne viazaný, viacstupňový
zosilňovač, ktorý má vo vetve zápornej
spätnej väzby zapojený kondenzátor C.
Tento sa v dôsledku Millerovho javu
uplatní ako fiktívny C’ .
MODULÁCIA
Pri bezdrôtovom prenose správ na veľké vzdialenosti sa vyuţíva prenos pomocou
elektromagnetického poľa. Toto elektromagnetické pole vzniká premenou striedavého prúdu
pretekajúceho anténou. Vo všeobecnosti platí, ţe striedavé prúdy s vyšším opakovacím kmitočtom sa
premieňajú na elektromagnetické pole ( vlnenie ) s väčšou účinnosťou ako prúdy s niţším opakovacím
kmitočtom. Z tohto dôvodu sa musí správa ( nf signál ), ktorú chceme prenášať bezdrôtovo, nejakým
vhodným spôsobom premeniť - pretransformovať do oblasti prúdov s vyššími frekvenciami. Dôleţitou
poţiadavkou je pritom, aby proces transformácie neovplyvnil obsah a vlastnosti prenášanej správy.
Riešenie tohto problému prináša jeden zo spôsobov transformácie nazývaný modulácia.
Modulácia je proces, pri ktorom dochádza ku zmene niektorého parametra nosnej vlny podľa
zmien modulačného signálu.
Vo všeobecnosti, kaţdý striedavý signál má tri základné parametre, ktoré ho charakterizujú a to :
amplitúdu kmitov, frekvenciu kmitov a fázu. Časový priebeh striedavého signálu vo všeobecnosti je
daný vzťahom: u = U.sin( wt + j )
U ..... maximálna amplitúda signálu
w ..... kmitočet signálu
j ..... fáza signálu
Na základe uvedeného poznáme tri základné modulácie:
· AMPLITÚDOVÁ [ AM ]
· FREKENČNÁ [ FM ]
· FÁZOVÁ
[FM ]
AMPLITÚDOVÁ MODULÁCIA [ AM ]
Pri amplitúdovej modulácii sa mení amplitúda nosnej vlny v rytme okamžitej hodnoty
modulačného signálu. Frekvencia aj fáza modulovanej vlny sa nemenia, sú konštantné.
un = Un.sinwt
um = Um.sinWt
u = U.sinwt
( 1 ) ...... nosná nemodulovaná vlna ( nosný signál ) s maximálnou amplitúdou Un a
kmitočtom w
( 2 ) ...... modulačný signál s maximálnou amplitúdou Um a kmitočtom W
( 3 ) ...... modulovaná nosná vlna s kmitočtom w pôvodnej nosnej vlny, ale s
okamţitou amplitúdou U, ktorá sa však mení s okamţitou amplitúdou
modulačného signálu um.
Amplitúda výslednej modulovanej vlny U je v kaţdom okamihu daná súčtom alebo rozdielom
amplitúdy nosnej vlny Un a okamţitej hodnoty modulačného signálu um. To zapisujeme nasledovne :
U = Un + um - pozitívna modulácia
U = Un - um - negatívna modulácia
(4)
(5)
modulačný signál
nosný signál
pozitívne modulovaný nosný
signál
negatívne modulovaný nosný
signál
Písmeno m nazývame činiteľ - koeficient amplitúdovej modulácie.
Ak činiteľ AM m vyjadríme v percentách označuje hĺbku modulácie AM.
[%]
Čiarové spektrum amplitúdovo modulovaného signálu
jedným modulačným signálom s frekvenciou F obsahuje
okrem frekvencie f nosného signálu ešte dve ďalšie zloţky a
to dolnú postrannú zloţku f - F a hornú postrannú zloţku f +
F. Ak modulačný signál obsahuje viac frekvencií od Fmin po
Fmax potom vznikajú postranné pásma - dolné od f - Fmin
po f - Fmax a horné od f + Fmin po f + Fmax.
Ďalšou nemenej dôleţitou vlastnosťou AM je, ţe z hľadiska
informačného sú obidve postranné pásma identické.
V postranných pásmach je sústredených iba 50 % efektívneho výkonu nemodulovanej nosnej
vlny, čo predstavuje 1/3 z celkového výkonu Pef dodaného do antény modulovanou nosnou vlnou za
jednu periódu modulačného signálu.
Na záver, ak sa teraz zamyslíme nad účinnosťou prenosu signálu pomocou AM a zohľadníme
skutočnosť, ţe normou stanovený činiteľ modulácie pre rádiové vysielače AM je m = 0,3, dospejeme k
záveru, ţe pre systémy s dvoma postrannými pásmami - DSB ( Dual Side Band ) je účinnosť nízka. Z
tohoto dôvodu sa pouţívajú systémy s jedným postranným pásmom s čiastočne potlačenou nosnou
vlnou, systémy SSB ( Single Side Band )
VÝHODY:
o
o
o
Jednoduchá konštrukcia modulátorov a demodulátorov AM signálov
Pri prenose uţitočného signálu má výsledný modulovaný signál presne definované a
ohraničené pásmo postranných zloţiek
Na prenos informácie nám stačí preniesť iba jedno postranné pásmo, pretoţe z informačného
hľadiska sú obidve postranné pásma identické.
NEVÝHODY:
o
o
Malá účinnosť
Náchylnosť na rušenie v ľubovoľnom mieste prenosového reťazca.
FREKVENČNÁ MODULÁCIA [ FM ]
Pri frekvenčnej modulácii sa mení frekvencia nosnej vlny v rytme modulačného signálu.
Amplitúda modulovanej vlny ostáva konštantná.
modulačný signál
nosný signál ( nosná vlna )
modulovaný nosný signál
Spektrum modulovanej vlny
FM pre M = 1
Spektrum modulovanej vlny FM pre M = 10
M je činiteľ frekvenčnej modulácie a podľa neho rozlišujeme dva typy frekvenčnej modulácie.
Ak M < 1 ide o úzkopásmovú FM a ak M > 1 ide o širokopásmovú FM. Ako príklad širokopásmovej
FM môţem uviesť rozhlasové vysielanie, kde sa pouţíva frekvenčný zdvih Df = 50 kHz ( poprípade 75
kHz ) a maximálny modulačný kmitočet F = 15 kHz. Potom M je pomer Df/Fmax. Ako príklad
úzkopásmovej FM môţe poslúţiť frekvenčný zdvih Df = 15 kHz pouţívaný v mobilných vysielačoch
pracujúcich na vlnách kratších ako 10 m.
V praxi sa ukázalo, ţe na prenos informácie s dostatočne malým skreslením postačí preniesť všetky
postranné zloţky, ktorých amplitúda je väčšia ako 1 % amplitúdy nosného nemodulovaného signálu.
S hodnotou činiteľa M súvisí dôleţitý kvalitatívny ukazovateľ prenosu správ určujúci jeho
akosť a to pomer amplitúdy signálu k amplitúde šumu - S/N. Platí, ţe čím je M väčšie, tým väčší je
pomer signál/šum. Na druhej strane však platí, ţe s narastajúcim M narastá, pre kvalitný prenos, aj
potrebná šírka frekvenčného pásma. Nedodrţanie potrebnej šírky pásma, jej zmenšenie, vedie ku
zhoršeniu pomeru signál/šum a hlavne ku zvýšeniu skreslenia výstupného signálu na vyšších
dynamických úrovniach. ( napr. údery do bubna v tanečnej hudbe, atď.)
Výhody frekvenčnej modulácie v porovnaní s amplitúdovou moduláciou :
o
o
o
o
o
o
o
moţnosť vylúčenia porúch amplitúdového charakteru pouţitím obmedzovača amplitúdy v
prijímači, pretoţe amplitúda neprenáša ţiadnu zloţku informácie
jednoduchší modulátor a tým aj jednoduchší vysielač ( modulácia sa môţe robiť priamo v
oscilátore nosného signálu )
vysielač FM signálu je z hľadiska výkonu dobre vyuţitý. Pri vhodnej veľkosti indexu
modulácie M ( okolo M = 5 ) klesá výkon nosného signálu skoro k nule a skoro všetka
vysielaná energia je sústredená v postranných pásmach uţitočných pre prenos informácie
menšie vzájomné rušenie dvoch vysielačov, ktoré pracujú na rovnakom alebo blízkych
nosných kmitočtoch
lepší odstup uţitočného signálu od hluku a šumu. Optimálny odstup signálu od šumu môţeme
dosiahnuť optimálnym vyuţitím kmitočtového zdvihu Df . Preto sa na strane vysielača od
určitého medzného kmitočtu umelo
zväčšuje amplitúda modulačného signálu
úmerne s narastajúcim kmitočtom.
Hovoríme o preemfáze. Na strane
prijímača sa za demodulátorom urobí
spätná korekcia, ktorá účinky preemfázy
opäť vyrovná, takţe prenášaná
zdemodulovaná informácia má pôvodný
priebeh. Ide o deemfázu. Pre korekciu
sa na oboch stranách pouţíva obvod s
časovou konštantou 50 ms ( niekde 75
ms ), to je hraničná frekvencia 3,2 kHz.
Poznámka : Z hľadiska energetického, napríklad v hudbe, sú frekvencie stredné a
vysoké zastúpené len asi z 20 %. Zvyšná energia je sústredená v nízkych frekvenciách basoch. Naopak šum má svoju prevažnú časť energie sústredenú v zložkách s vyššími
frekvenciami. Najväčším zdrojom šumu v prenosovej ceste sú vstupné obvody, zmiešavač a
frekvenčný demodulátor na strane prijímača. Z povedaného vyplýva, že pri prenose zložiek s
vyššími frekvenciami, by po demodulácii výrazne klesol odstup signál/šum. Ak však na strane
vysielača preemfázou umelo zvýšime energetickú úroveň zložiek s vyššími frekvenciami na
strane prijímača, za demodulátorom, dostávame priaznivý pomer signál/šum. Použitím
deemfázy obmedzíme prenos signálov s vyššími frekvenciami, teda aj zložiek šumu z
demodulátora.
podstatne lepšia dynamika prenosu, t.j. rozdiel medzi najhlasnejším a najtichším
prenášaným zdemodulovaným signálom. Dynamika prenosu pri amplitúdovej modulácie je
okolo 25 dB, ale pri frekvenčnej modulácii s pouţitím preemfázy sa dosahujú úrovne okolo 45
dB.
ku zvýšeniu vernosti prenosu prispieva vedľa dobrej dynamiky aj prenášané kmitočtové
pásmo 30 Hz aţ 15 kHz.
Nevýhody:


zloţitejší demodulátor
potrebná podstatne väčšia šírka prenášaného pásma a tým moţnosť pouţitia frekvenčnej
modulácie len na frekvenčnom rozsahu veľmi krátkych vĺn.
FÁZOVÁ MODULÁCIA [ FM ]
Pri fázovej modulácii sa mení fáza modulovanej nosnej vlny v rytme zmien modulačného
signálu. Amplitúda modulovanej nosnej vlny ostáva konštantná.
modulačný signál
nosný nemodulovaný signál
nosný modulovaný signá
Fázová a frekvenčná modulácia sú vzájomne závislé, sú to dve rôzne cesty na dosiahnutie skoro
rovnakého fyzikálneho výsledku. Fázovú moduláciu je moţné previesť na moduláciu frekvenčnú. Čistá
fázová modulácia sa v praxi pouţíva len zriedka.
DEMODULÁCIA
Demodulácia je proces, pomocou ktorého z modulovaného vysokofrekvenčného signálu
získame späť nízkofrekvenčný modulačný signál.
Demodulácia tak ako modulácia sa uskutočňuje na nelineárnom prvku. Demoduláciou sa má získať
modulačný signál v čo najvernejšom tvare, t.j. s čo najmenším skreslením a s dostatočnou amplitúdou
výstupného signálu.
AMPLITÚDOVA DEMODULÁCIA
Amplitúdovo modulovaný signál, pri modulácii harmonickým signálom s jednou frekvenciou obsahuje
tri zloţky s frekvenciami:
w1 = w
w2 = w + W
w3 = w - W
Ak tento signál s týmito tromi zloţkami privedieme na nelineárny prvok, vznikajú na ňom okrem
zloţiek so základnými frekvenciami vstupných signálov w1, w2, w3 aj kombinované harmonické
zloţky:
n.w1, n.w2, n.w3
w1 ± w2
n.w1 ± m.w2
w2 ± w3
n.w2 ± m.w3
w1 ± w3
atď.
Z rozboru vidieť, ţe medzi týmito zloţkami bude aj zloţka s frekvenciou W, teda zloţka
zodpovedajúca modulačnému signálu. Konkrétne ide o rozdielovú zloţku :
w1 - w3 = w - ( w - W ) = w - w + W = W
Pomocou filtra RC odstránime všetky
neţiadúce zloţky s vyššími frekvenciami a
prepustíme len napätie s modulačnou frekvenciou
W.
Kondenzátor C sa nabije kladnou polvlnou
cez diódu D a potom sa vybíja prúdom opačného
smeru cez odpor R, a keďţe R je veľký, vybíja sa
oveľa pomalšie (rýchlosťou nf signálu). Tým sa
odstráni vf signál, ostane len obálka nf.
FREKVENČNÁ DEMODULÁCIA
Frekvenčná demodulácia sa skladá z dvoch procesov:
o
o
premeny frekvenčnej modulácie na amplitúdovú moduláciu
vlastnej amplitúdovej modulácie
Pouţívajú sa 2 spôsoby zapojenia:
1. Fázový diskriminátor: Pásmová priepusť L1, L2 pri rezonancii (pri príjme frekvencie na ktorú je
o
naladený - 10,7MHz) posúva napätie sekundárnej strany U2 na L2 o 90 oproti primárnemu napätiu U 1
na L1. Sekundárny obvod L2 je rozdelený na dve časti, ktoré majú rovnaké napätia, ale opačné fázy.
Do ich stredu sa zapája primárne napätie U1pomocou cievky L1. Napätie na dióde D1 bude UA = U1+
U2, (súčet), na dióde D2 bude rozdiel UB = U1 - U2. Ak sa kondenzátor C2 uzemní z kondenzátora C1 sa
odoberá priamo demodulovaný rozdiel Unf = UA - UB. môţu nastať tieto 3 stavy:
 pri frekvencii 10,7MHz (presná mf - obr.42a) sú napätia Ua a Ub rovnaké a na výstupe je
0.
 ak medzifrekvencia je väčšia ako 10,7MHz (obr.42b) cievky L 1, L2 posúvajú o menej ako
o
90 , Ua je väčšie ako Ub a na výstupe je kladné napätie.
 ak medzifrekvencia je menšia ako 10,7MHz (obr.42c) cievky L1, L2 posúvajú o viac ako o
o
90 , Ua je menšie ako Ub a výstupné napätie je záporné.
Tento obvod potrebuje na vstupe účinný amplitúdový obmedzovač.
2) Pomerový detektor: nepotrebuje na vstupe amplitúdový obmedzovač a dodáva na výstupe
polovičné napätie oproti fázovému diskriminátoru. Princíp je rovnaký len, zapojené diódy sú opačne
polarizované a uzemnený je stred kondenzátorov C1, C2.
Download

1. ročník